(57)【要約】  この遠心式血液ポンプ装置は、血液室（７）内に設けられたインペラ（１０）と、インペラ（１０）に設けられた複数の永久磁石（１７）と、モータ室（８）内に設けられ、隔壁（６）を介してインペラ（１０）を回転駆動させる複数組の磁性体（１８）およびコイル（２０）とを備える。複数の永久磁石（１７）は、インペラ（１０）の回転方向に互いに隙間を開けて配列されている。したがって、永久磁石（１７）間に隙間が無い場合に比べ、永久磁石（１７）の重量を一定値に維持した場合は、隔壁（６）によってモータギャップが大きい場合でも、磁界を強めることができる。
2011013483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁（６）で仕切られた第１および第２の室（７，８）を含むハウジング（２）と、前記第１の室内（７）において前記隔壁（６）に沿って回転可能に設けられたロータ（１０）と、前記第２の室内（７）に設けられ、前記隔壁（６）を介して前記ロータ（１０）を回転駆動させる駆動部（１８〜２０）とを備えた回転駆動装置であって、
前記ロータ（１０）に設けられ、前記ロータ（１０）の回転方向に互いに隙間を開けて配列された複数の第１の永久磁石（１７）を備え、
各第１の永久磁石（１７）は、前記ロータ（１０）の回転方向と直交する方向に着磁され、
各隣接する２つの第１の永久磁石（１７）の磁極は互いに異なり、
前記駆動部（１８〜２０）は、
前記複数の第１の永久磁石（１７）に対向して配置された複数の第１の磁性体（１８）と、
それぞれ前記複数の第１の磁性体（１８）に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイル（２０）とを含む、回転駆動装置。
【請求項２】
さらに、前記ロータ（１０）に設けられて前記複数の第１の永久磁石（１７）の前記隔壁（６）と反対側に配置され、前記複数の第１の永久磁石（１７）と磁気的に結合される第２の磁性体（２８）を備える、請求の範囲第１項に記載の回転駆動装置。
【請求項３】
さらに、前記ロータ（１０）に設けられ、前記複数の第１の永久磁石（１７）と磁気的に結合される複数の第２の永久磁石（２９または３１）を備え、
前記第２の永久磁石（２９または３１）は、各隣接する２つの第１の永久磁石（１７）の隙間に対応して設けられ、前記ロータ（１０）の回転方向に着磁されている、請求の範囲第１項に記載の回転駆動装置。
【請求項４】
前記第２の永久磁石（２９）は、対応の隙間を前記隔壁（６）の反対側から覆うように配置され、
前記第２の永久磁石（２９）の各磁極は、隣接する第２の永久磁石（２９）の磁極と同じであり、対応する第１の永久磁石（１７）の磁極と異なる、請求の範囲第３項に記載の回転駆動装置。
【請求項５】
さらに、前記ロータ（１０）に設けられ、それぞれ前記複数の第２の永久磁石（２９）の複数の隙間に挿入された複数の第２の磁性体（３０）を備える、請求の範囲第４項に記載の回転駆動装置。
【請求項６】
前記第２の永久磁石（３１）は対応の隙間に挿入され、
各第２の永久磁石（３１）の第１の磁極は、隣接する２つの第１の永久磁石（１７）のうちの隔壁（６）側に第１の磁極が向けられた第１の永久磁石（１７）側に向けられ、
各第２の永久磁石（３１）の第２の磁極は、隣接する２つの第１の永久磁石（１７）のうちの隔壁（６）側に第２の磁極が向けられた第１の永久磁石（１７）側に向けられている、請求の範囲第３項に記載の回転駆動装置。
【請求項７】
前記第１の永久磁石（１７）の前記隔壁（６）に対向する表面の面積に対する前記第２の永久磁石（３１）の前記隔壁（６）に対向する表面の面積の比率は、１／２以上で２以下に設定されている、請求の範囲第６項に記載の回転駆動装置。
【請求項８】
前記隔壁（８０）は円筒状に形成され、
前記ロータ（８１）と前記駆動部（９０）とは、前記ロータ（８１）の径方向に隙間を開けて配置されている、請求の範囲第１項に記載の回転駆動装置。
【請求項９】
前記隔壁（６）は平面状に形成され、
前記ロータ（１０）と前記駆動部（１８〜２０）とは、前記ロータ（１０）の回転中心軸の延在方向に隙間を開けて配置されている、請求の範囲第１項に記載の回転駆動装置。
【請求項１０】
請求の範囲第９項に記載の回転駆動装置を備え、
前記ロータ（１０）は、回転時の遠心力によって液体を送るインペラ（１０）である、遠心式ポンプ装置。
【請求項１１】
前記液体は血液であり、
前記遠心式ポンプ装置は、前記血液を循環させるために使用される、請求の範囲第１０項に記載の遠心式ポンプ装置。
【請求項１２】
隔壁（６）で仕切られた第１および第２の室（７，８）を含むハウジング（２）と、前記第１の室（７）内において前記隔壁（６）に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラ（１０）と、前記第２の室（８）内に設けられ、前記隔壁（６）を介して前記インペラ（１０）を回転駆動させる駆動部（１８〜２０）とを備えた遠心式ポンプ装置であって、
前記インペラ（１０）の一方面に設けられた第１の磁性体（１５）と、
前記インペラ（１０）の一方面に対向する前記第１の室（７）の内壁に設けられ、前記第１の磁性体（１５）を吸引する第２の磁性体（１６）と、
前記インペラ（１０）の他方面に設けられ、前記インペラ（１０）の回転方向に互いに隙間を開けて配列された複数の第１の永久磁石（１７）とを備え、
各第１の永久磁石（１７）は、前記インペラ（１０）の回転中心軸の延在方向に着磁され、
各隣接する２つの第１の永久磁石（１７）の磁極は互いに異なり、
前記駆動部（１８〜２０）は、
前記複数の第１の永久磁石（１７）に対向して配置された複数の第３の磁性体（１８）と、
それぞれ前記複数の第３の磁性体（１８）に対応して設けられて各々が対応の第３の磁性体（１８）に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイル（２０）とを含み、
前記インペラ（１０）の回転中において、前記第１および第２の磁性体（１５，１６）間の第１の吸引力と前記複数の第１の永久磁石（１７）および前記複数の第３の磁性体（１８）間の第２の吸引力とは、前記第１の室（７）内における前記インペラ（１０）の可動範囲の略中央で釣り合い、
前記インペラ（１０）の一方面またはそれに対向する前記第１の室（７）の内壁に第１の動圧溝（２２）が形成され、前記インペラ（１０）の他方面またはそれに対向する前記隔壁（６）に第２の動圧溝（２１）が形成された、遠心式ポンプ装置。
【請求項１３】
前記液体は血液であり、
前記遠心式ポンプ装置は、前記血液を循環させるために使用される、請求の範囲第１２項に記載の遠心式ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は回転駆動装置およびそれを用いた遠心式ポンプ装置に関し、特に、隔壁を介して駆動力を伝達する回転駆動装置と、それを用いた遠心式ポンプ装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、隔壁によってモータ駆動室とロータ室とに分離した構造のキャンドモータが多く用いられている。このようなモータは、たとえば、粉塵をきらう環境下で使用される半導体製造ラインの純水輸送用ポンプや、生体液を輸送するポンプに使用されている。生体液を輸送するポンプとしては、血液室内のインペラに直接トルクを伝達するダイレクト駆動モータを用いた遠心式血液ポンプ装置がある。この遠心式血液ポンプ装置は、外部と血液室との物理的な連通を排除することができ、細菌などの血液への侵入を防止することができるので、人工心臓として用いられる。人工心臓はバッテリからの電力によって駆動されるので、モータの効率向上は大変重要である。【０００３】
特開２００４−２０９２４０号公報（特許文献１）の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた電磁石と、インペラの他方面に設けられた永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた永久磁石とを備える。インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には、動圧溝が形成されている。電磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。【０００４】
また、特開２００６−１６７１７３号公報（特許文献２）の遠心式血液ポンプは、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングと、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた磁性体と、インペラの一方面に対向して第１の室内に設けられた第１の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第２の永久磁石と、第３の室内に設けられたロータおよびモータと、インペラの他方面に対向してロータに設けられた第３の永久磁石とを備える。インペラの一方面に対向する第１の隔壁の表面には第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面に対向する第２の隔壁の表面には第２の動圧溝が形成されている。第１の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ロータの第３の永久磁石からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラは第２の室の内壁から離れ、非接触状態で回転する。【０００５】
また、特開平４−９１３９６号公報（特許文献３）の図８および図９のターボ形ポンプは、ハウジングと、ハウジング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ハウジングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた第３の永久磁石と、インペラの他方面に対向してハウジングに設けられた磁性体とを備えている。また、インペラの一方面には第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面には第２の動圧溝が形成されている。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、ハウジングの磁性体からインペラの他方面に作用する吸引力と、第１および第２の動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。【０００６】
さらに、実開平６−５３７９０号公報（特許文献４）のクリーンポンプは、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に設けられたインペラと、インペラの一方面に設けられた第１の永久磁石と、ケーシングの外部に設けられたロータと、インペラの一方面に対向してロータに設けられた第２の永久磁石と、インペラの他方面に設けられた磁性体と、インペラの他方面に対向してハウジング外に設けられた電磁石とを備えている。また、インペラの一方面には動圧溝が形成されている。インペラの回転数が所定の回転数よりも低い場合は電磁石を作動させ、インペラの回転数が所定の回転数を超えた場合は電磁石への通電を停止する。ロータの第２の永久磁石からインペラの一方面に作用する吸引力と、動圧溝の動圧軸受効果により、インペラはハウジングの内壁から離れ、非接触状態で回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２０９２４０号公報
【特許文献２】特開２００６−１６７１７３号公報
【特許文献３】特開平４−９１３９６号公報
【特許文献４】実開平６−５３７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、ステータとロータ間に隔壁を設けたキャンドモータでは、ステータとロータ間の隙間が大きくなるため、高トルク化や高効率化が難しいと言う課題がある。特に、小型モータの場合、寸法の制約などにより設計自由度が低く、局所的な磁気飽和の影響を受け易いため高効率化が難しい。ただし、広い隙間であってもロータの永久磁石の界磁磁束をステータに効率良く通すことができれば、ステータとロータ間の吸引力の増加やモータヨークの磁束飽和を抑制してトルクの増加を図ることができる。【０００９】
また、上記特許文献１〜４のポンプは、インペラとハウジングの対向部に形成された動圧溝によってインペラのアキシアル方向の支持を行ない、インペラに設けられた永久磁石とハウジング外に設けられた永久磁石との吸引力によってインペラのラジアル方向の支持を行なっている点で共通する。【００１０】
動圧溝の支持剛性は、インペラの回転数に比例する。したがって、ポンプに外乱が印加された状態でも、インペラがハウジングに接触することなく安定して回転するためには、ポンプの常用回転数域を上げてインペラのアキシアル方向の剛性を高める必要がある。しかし、上記特許文献１〜４のポンプでは、ラジアル方向を永久磁石の吸引力を利用して支持しているので、その支持剛性は低く、インペラを高速に回転させることができないという問題がある。【００１１】
このラジアル方向の剛性を高める方法としては、インペラ内の永久磁石とハウジングの外部に配した永久磁石もしくは固定子との吸引力を強める方法がある。しかし、その吸引力を強めると、インペラのアキシアル方向への負の剛性値が大きくなり（すなわち、インペラがアキシアル方向に動けば、その動いただけその吸引力が大きくなり）、動圧によるインペラの支持性能およびインペラ−ハウジング間に作用する吸引力が大きくなり、インペラのスムーズな回転駆動が難しくなるという問題がある。また、インペラのアキシアル方向への負の剛性値が動圧による正の剛性より大きい場合は安定回転ができないという問題も生じる。ラジアル方向を永久磁石による受動型磁気軸受で支持する場合は、ラジアル方向の剛性はアキシアル方向の負の剛性値によって決定される。よって、安定回転を実現するための条件ではラジアル方向の剛性を向上させることが難しく、インペラをハウジングに接触することなく回転させるためにはインペラ質量を増加させてはならない。【００１２】
特に、特許文献２の図３９で示されるように、インペラを外部のモータコイルとインペラに配した永久磁石の磁気的相互作用で回転させる場合は、特許文献２の図３に示されるようなインペラを永久磁石間の磁気カップリングで回転駆動させる場合に比べて起動トルクが小さいので、インペラのスムーズな回転駆動が難しい。これは、本遠心式血液ポンプが、第１および第２の隔壁によって仕切られた第１〜第３の室を含むハウジングに対し、第２の室（血液室）内に回転可能に設けられたインペラを、モータによって回転させるキャンドモータ構造となり、モータギャップが広いためである。この広いギャップに対し、インペラ質量を増加させることなく、アキシアル方向への負の剛性値を増加させず、モータトルクを増大させるためにはモータの界磁磁束をより遠方まで届かせる必要がある。【００１３】
起動トルクが小さいことに対処するため、特許文献２では、インペラを所定の方向に付勢させるための電磁石や、永久磁石の磁力を変化させるための磁力調整用コイルを設け、それらをインペラの回転起動時に作動させてインペラの起動をスムーズにする方法も提案がされている。しかし、このような対処法では、電磁石やコイルといった新たに専用の部材を必要とすることからポンプサイズが大きくなり、構成部品が増えることから信頼性が低下すると言う問題があった。これらの問題は、人工心臓などで使用する血液ポンプにとっては重要な問題である。【００１４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、大きなトルクを発生することができ、エネルギ効率が高く、小型の回転駆動装置およびそれを用いた遠心式ポンプ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係る回転駆動装置は、隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、第１の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられたロータと、第２の室内に設けられ、隔壁を介してロータを回転駆動させる駆動手段とを備えたものである。この回転駆動装置は、ロータに設けられ、ロータの回転方向に互いに隙間を開けて配列された複数の第１の永久磁石を備える。各第１の永久磁石は、ロータの回転方向と直交する方向に着磁されている。各隣接する２つの第１の永久磁石の磁極は互いに異なる。駆動手段は、複数の第１の永久磁石に対向して配置された複数の第１の磁性体と、それぞれ複数の第１の磁性体に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイルとを含む。したがって、第１の永久磁石の重量を一定値に維持したまま第１の永久磁石間に隙間を設けることにより、第１の永久磁石間の磁束密度を増やし、ロータおよび駆動手段間の磁気的結合力を強めることができる。よって、装置寸法を小型に維持しながら、大きなトルクを得ることができる。【００１６】
好ましくは、さらに、ロータに設けられて複数の第１の永久磁石の隔壁と反対側に配置され、複数の第１の永久磁石と磁気的に結合される第２の磁性体を備える。この場合は、ロータおよび駆動手段間の磁気的結合力を強めることができ、より大きなトルクを得ることができる。また、コイルで発生する銅損を軽減することができ、ロータの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。【００１７】
また好ましくは、さらに、ロータに設けられ、複数の第１の永久磁石と磁気的に結合される複数の第２の永久磁石を備え、第２の永久磁石は、各隣接する２つの第１の永久磁石の隙間に対応して設けられ、ロータの回転方向に着磁されている。この場合は、ロータおよび駆動手段間の磁気的結合力を強めることができ、より大きなトルクを得ることができる。また、コイルで発生する銅損を軽減することができ、ロータの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。【００１８】
また好ましくは、第２の永久磁石は、対応の隙間を隔壁の反対側から覆うように配置され、第２の永久磁石の各磁極は、隣接する第２の永久磁石の磁極と同じであり、対応する第１の永久磁石の磁極と異なる。【００１９】
また好ましくは、さらに、ロータに設けられ、それぞれ複数の第２の永久磁石の複数の隙間に挿入された複数の第２の磁性体を備える。この場合は、ロータおよび駆動手段間の磁気的結合力を強めることができ、より大きなトルクを得ることができる。また、コイルで発生する銅損を軽減することができ、ロータの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。【００２０】
また好ましくは、第２の永久磁石は対応の隙間に挿入される。各第２の永久磁石の第１の磁極は、隣接する２つの第１の永久磁石のうちの隔壁側に第１の磁極が向けられた第１の永久磁石側に向けられている。各第２の永久磁石の第２の磁極は、隣接する２つの第１の永久磁石のうちの隔壁側に第２の磁極が向けられた第１の永久磁石側に向けられている。この場合は、ロータおよび駆動手段間の吸引力を低減しながら、トルクを発生するためのロータおよび駆動手段間の磁気的結合力を強めることができ、より大きなトルクを得ることができる。また、コイルで発生する銅損を軽減することができ、ロータの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。また、磁石寸法を最も小さくすることができ、装置寸法の小型化を図ることができる。【００２１】
また好ましくは、第１の永久磁石の隔壁に対向する表面の面積に対する第２の永久磁石の隔壁に対向する表面の面積の比率は、１／２以上で２以下に設定されている。この場合は、ロータおよび駆動手段間の吸引力を低減しながら、トルクを発生するためのロータおよび駆動手段間の磁気的結合力を最大にすることができる。【００２２】
また好ましくは、隔壁は円筒状に形成され、ロータと駆動手段とは、ロータの径方向に隙間を開けて配置されている。この場合、回転駆動装置は、ラジアルギャップ型モータとなる。【００２３】
また好ましくは、隔壁は平面状に形成され、ロータと駆動手段とは、ロータの回転中心軸の延在方向に隙間を開けて配置されている。この場合、回転駆動装置は、アキシアルギャップ型モータとなる。【００２４】
また、この発明に係る遠心式ポンプ装置は、上記回転駆動装置を備えたものである。ロータは、回転時の遠心力によって液体を送るインペラである。【００２５】
また、この発明に係る他の遠心式ポンプ装置は、隔壁で仕切られた第１および第２の室を含むハウジングと、第１の室内において隔壁に沿って回転可能に設けられ、回転時の遠心力によって液体を送るインペラと、第２の室内に設けられ、隔壁を介してインペラを回転駆動させる駆動手段とを備えたものである。この遠心式ポンプ装置は、インペラの一方面に設けられた第１の磁性体と、インペラの一方面に対向する第１の室の内壁に設けられ、第１の磁性体を吸引する第２の磁性体と、インペラの他方面に設けられ、ロータの回転方向に互いに隙間を開けて配列された複数の第１の永久磁石とを備える。各第１の永久磁石は、ロータの回転中心軸の延在方向に着磁されている。隣接する２つの第１の永久磁石の磁極は互いに異なる。駆動手段は、複数の第１の永久磁石に対向して配置された複数の第３の磁性体と、それぞれ複数の第３の磁性体に対応して設けられて各々が対応の第３の磁性体に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイルとを含む。インペラの回転中において、第１および第２の磁性体間の第１の吸引力と複数の第１の永久磁石および複数の第３の磁性体間の第２の吸引力とは、第１の室内におけるインペラの可動範囲の略中央で釣り合う。インペラの一方面またはそれに対向する第１の室の内壁に第１の動圧溝が形成され、インペラの他方面またはそれに対向する隔壁に第２の動圧溝が形成されている。【００２６】
好ましくは、液体は血液であり、遠心式ポンプ装置は、血液を循環させるために使用される。この場合は、インペラがスムーズに回転起動し、インペラとハウジング間の距離が確保されるので、溶血の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
以上のように、この発明によれば、装置寸法を小型に維持しながら、ロータあるいはインペラを回転駆動させるための大きなトルクを発生することができる。また、ロータあるいはインペラの回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。また、血液を循環させる場合には、溶血を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の外観を示す正面図である。
【図２】図１に示したポンプ部の側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。
【図６】図３のＶＩ−ＶＩ線断面図からインペラを取り外した状態を示す断面図である。
【図７】図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図７で示した複数のコイルに印加する電圧を例示するタイムチャートである。
【図９】図３に示したインペラの浮上位置を説明するための図である。
【図１０】図３に示したインペラの浮上位置を説明するための他の図である。
【図１１】図１〜図７で示したポンプ部を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示したコントローラの動作を示すタイムチャートである。
【図１３】実施の形態１の比較例を示す断面図である。
【図１４】実施の形態１の効果を説明するための図である。
【図１５】図１４に示した永久磁石に対する隙間部分の面積比率と回転トルクとの関係を示す図である。
【図１６】実施の形態１の変更例を示す図である。
【図１７】実施の形態１の他の変更例を示す図である。
【図１８】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図１９】実施の形態１のさらに他の変更例を示す図である。
【図２０】図１９に示した永久磁石１７に対する永久磁石３１の面積比率の最適範囲を示す図である。
【図２１】実施の形態１のさらに他の変更例を示すブロック図である。
【図２２】実施の形態１のさらに他の変更例を示すタイムチャートである。
【図２３】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２４】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２５】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２６】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２７】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２８】実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図２９】図２８に示した永久磁石を示す図である。
【図３０】この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の構成を示す断面図である。
【図３１】図３０のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ線断面図である。
【図３２】図３１で示した磁気センサの出力信号を示すタイムチャートである。
【図３３】図３０〜図３２で示したポンプ部を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３４】実施の形態２の変更例を示すブロック図である。
【図３５】実施の形態２の他の変更例を示すブロック図である。
【図３６】実施の形態２のさらに他の変更例を示すブロック図である。
【図３７】実施の形態２のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図３８】実施の形態２のさらに他の変更例を示す断面図である。
【図３９】この発明の実施の形態３によるアキシアルギャップ型モータの構成を示す図である。
【図４０】実施の形態３の比較例を示す図である。
【図４１】実施の形態３の変更例を示す図である。
【図４２】実施の形態３の他の変更例を示す図である。
【図４３】実施の形態３のさらに他の変更例を示す図である。
【図４４】実施の形態３のさらに他の変更例を示す図である。
【図４５】この発明の実施の形態４によるラジアルギャップ型モータの構成を示す図である。
【図４６】実施の形態４の比較例を示す図である。
【図４７】実施の形態４の変更例を示す図である。
【図４８】実施の形態４の他の変更例を示す図である。
【図４９】実施の形態４のさらに他の変更例を示す図である。
【図５０】実施の形態４のさらに他の変更例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［実施の形態１］
図１〜図７において、この遠心式血液ポンプ装置のポンプ部１は、非磁性材料で形成されたハウジング２を備える。ハウジング２は、円柱状の本体部３と、本体部３の一方の端面の中央に立設された円筒状の血液流入ポート４と、本体部３の外周面に設けられた円筒状の血液流出ポート５とを含む。血液流出ポート５は、本体部３の外周面の接線方向に延在している。
【００３０】
ハウジング２内には、図３に示すように、隔壁６によって仕切られた血液室７およびモータ室８が設けられている。血液室７内には、図３および図４に示すように、中央に貫通孔１０ａを有する円板状のインペラ１０が回転可能に設けられている。インペラ１０は、ドーナツ板状の２枚のシュラウド１１，１２と、２枚のシュラウド１１，１２間に形成された複数（たとえば６つ）のベーン１３とを含む。シュラウド１１は血液流入ポート４側に配置され、シュラウド１２は隔壁６側に配置される。シュラウド１１，１２およびベーン１３は、非磁性材料で形成されている。
【００３１】
２枚のシュラウド１１，１２の間には、複数のベーン１３で仕切られた複数（この場合は６つ）の血液通路１４が形成されている。血液通路１４は、図４に示すように、インペラ１０の中央の貫通孔１０ａと連通しており、インペラ１０の貫通孔１０ａを始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。換言すれば、隣接する２つの血液通路１４間にベーン１３が形成されている。なお、この実施の形態１では、複数のベーン１３は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の血液通路１４は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。
【００３２】
インペラ１０が回転駆動されると、血液流入ポート４から流入した血液は、遠心力によって貫通孔１０ａから血液通路１４を介してインペラ１０の外周部に送られ、血液流出ポート５から流出する。
【００３３】
また、シュラウド１１には永久磁石１５が埋設されており、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には、永久磁石１５を吸引する永久磁石１６が埋設されている。永久磁石１５，１６は、インペラ１０をモータ室８と反対側、換言すれば血液流入ポート４側に吸引（換言すれば、付勢）するために設けられている。
【００３４】
なお、シュラウド１１および血液室７の内壁にそれぞれ永久磁石１５，１６を設ける代わりに、シュラウド１１および血液室７の内壁の一方に永久磁石を設け、他方に磁性体を設けてもよい。また、シュラウド１１自体を永久磁石１５または磁性体で形成してもよい。また、磁性体としては軟質磁性体と硬質磁性体のいずれを使用してもよい。
【００３５】
また、永久磁石１６は、１つでもよいし、複数でもよい。永久磁石１６が１つの場合は、永久磁石１６はリング状に形成される。また、永久磁石１６が複数の場合は、複数の永久磁石１６は等角度間隔で同一の円に沿って配置される。永久磁石１５も、永久磁石１６と同様であり、１つでもよいし、複数でもよい。
【００３６】
また、図３および図４に示すように、シュラウド１２には複数（たとえば８個）の永久磁石１７が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。換言すれば、モータ室８側にＮ極を向けた永久磁石１７と、モータ室８側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。
【００３７】
また、図７に示すように、モータ室８内には、複数（たとえば９個）の磁性体１８が設けられている。複数の磁性体１８は、インペラ１０の複数の永久磁石１７に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。複数の磁性体１８の基端は、円板状の１つの継鉄１９に接合されている。各磁性体１８には、コイル２０が巻回されている。
【００３８】
ここで、複数の磁性体１８は、同じ寸法の３角柱状に形成されている。また、複数の磁性体１８の周囲にはコイル２０を巻回するためのスペースが均等に確保され、各隣接する２つの磁性体１８の互いに対向する面は略平行に設けられている。このため、コイル２０用の大きなスペースを確保することができ、コイル２０の巻数を大きくすることができる。したがって、インペラ１０を回転駆動させるための大きなトルクを発生することができる。また、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００３９】
なお、複数の磁性体１８を囲む外形面（図７では、複数の磁性体１８の外周を囲む円）は、複数の永久磁石１７を囲む外形面（図４では、複数の永久磁石１７の外周を囲む円）に一致していてもよいし、複数の磁性体１８を囲む外形面が複数の永久磁石１７を囲む外形面よりも大きくてもよい。また、磁性体１８は、ポンプ１の最大定格（インペラ１０の回転駆動トルクが最大の条件）において、磁気的な飽和がないように設計することが好ましい。
【００４０】
なお、各磁性体１８を円柱状に形成してもよい。この場合、コイル２０の周方向長さを最小にすることができ、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００４１】
９個のコイル２０には、たとえば１２０度通電方式で電圧が印加される。すなわち、９個のコイル２０は、３個ずつグループ化される。各グループの第１〜第３のコイル２０には、図８に示すような電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷが印加される。第１のコイル２０には、０〜１２０度の期間に正電圧が印加され、１２０〜１８０度の期間に０Ｖが印加され、１８０〜３００度の期間に負電圧が印加され、３００〜３６０度の期間に０Ｖが印加される。したがって、第１のコイル２０が巻回された磁性体１８の先端面（インペラ１０側の端面）は、０〜１２０度の期間にＮ極になり、１８０〜３００度の期間にＳ極になる。電圧ＶＶの位相は電圧ＶＵよりも１２０度遅れており、電圧ＶＷの位相は電圧ＶＶよりも１２０度遅れている。したがって、第１〜第３のコイル２０にそれぞれ電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の磁性体１８とインペラ１０の複数の永久磁石１７との吸引力および反発力により、インペラ１０を回転させることができる。
【００４２】
ここで、インペラ１０が定格回転数で回転している場合は、永久磁石１５，１６間の吸引力と複数の永久磁石１７および複数の磁性体１８間の吸引力とは、血液室７内におけるインペラ１０の可動範囲の略中央付近で釣り合うようにされている。このため、インペラ１０のいかなる可動範囲においてもインペラ１０への吸引力による作用力は非常に小さい。その結果、インペラ１０の回転起動時に発生するインペラ１０とハウジング２との相対すべり時の摩擦抵抗を小さくすることができる。また、相対すべり時におけるインペラ１０とハウジング２の内壁の表面の損傷（表面の凹凸）はなく、さらに低速回転時の動圧力が小さい場合にもインペラ１０はハウジング２から浮上し易くなり、非接触の状態となる。したがって、インペラ１０とハウジング２との相対すべりによって溶血・血栓が発生したり、相対すべり時に発生したわずかな表面損傷（凹凸）によって血栓が発生することもない。
【００４３】
また、インペラ１０のシュラウド１２に対向する隔壁６の表面には複数の動圧溝２１が形成され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には複数の動圧溝２２が形成されている。インペラ１０の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝２１，２２の各々とインペラ１０との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝２１，２２の各々からインペラ１０に対して抗力が発生し、インペラ１０は血液室７内で非接触状態で回転する。
【００４４】
詳しく説明すると、複数の動圧溝２１は、図５に示すように、インペラ１０のシュラウド１２に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２１は、隔壁６の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）隔壁６の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２１は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝２１は凹部であり、動圧溝２１の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝２１の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。
【００４５】
図５では、１０個の動圧溝２１がインペラ１０の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝２１は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ１０が時計方向に回転すると、動圧溝２１の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ１０と隔壁６の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
【００４６】
なお、動圧溝２１を隔壁６に設ける代わりに、動圧溝２１をインペラ１０のシュラウド１２の表面に設けてもよい。
【００４７】
このように、インペラ１０と複数の動圧溝２１の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は隔壁６から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ１０と隔壁６の間に血液流路が確保され、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生が防止される。さらに、通常状態において、動圧溝２１が、インペラ１０と隔壁６の間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止することができる。
【００４８】
また、動圧溝２１の角の部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
【００４９】
また、複数の動圧溝２２は、図６に示すように、複数の動圧溝２１と同様、インペラ１０のシュラウド１１に対応する大きさに形成されている。各動圧溝２２は、血液室７の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁（円周）上に一端を有し、渦状に（換言すれば、湾曲して）血液室７の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝２２は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝２２は凹部であり、動圧溝２２の深さは０．００５〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。動圧溝２２の数は、６〜３６個程度であることが好ましい。図６では、１０個の動圧溝２２がインペラ１０の中心軸に対して等角度に配置されている。
【００５０】
なお、動圧溝２２は、血液室７の内壁側ではなく、インペラ１０のシュラウド１１の表面に設けてもよい。また、動圧溝２２の角となる部分は、少なくとも０．０５ｍｍ以上のＲを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
【００５１】
このように、インペラ１０と複数の動圧溝２２の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ１０は血液室７の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部１が外的衝撃を受けたときや、動圧溝２１による動圧力が過剰となったときに、インペラ１０の血液室７の内壁への密着を防止することができる。動圧溝２１によって発生する動圧力と動圧溝２２によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。
【００５２】
インペラ１０のシュラウド１２と隔壁６との隙間と、インペラ１０のシュラウド１１と血液室７の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ１０が回転することが好ましい。インペラ１０に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝２１と２２の形状を異ならせることが好ましい。
【００５３】
なお、図５および図６では、動圧溝２１，２２の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝２１，２２を使用することも可能である。ただし、血液を循環させる場合は、血液をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝２１，２２を採用することが好ましい。
【００５４】
図９は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置以外の位置Ｐ１でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。ただし、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。
【００５５】
すなわち、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１が永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２よりも小さく設定され、それらの合力がゼロとなるインペラ１０の浮上位置はインペラ可動範囲の中間よりも隔壁６側にあるものとする。動圧溝２１，２２の形状は同じである。
【００５６】
図９の横軸はインペラ１０の位置（図中の左側が隔壁６側）を示し、縦軸はインペラ１０に対する作用力を示している。インペラ１０への作用力が隔壁６側に働くとき、その作用力をマイナスとしている。インペラ１０に対する作用力としては、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、動圧溝２１の動圧力Ｆ３と、動圧溝２２の動圧力Ｆ４と、それらの合力である「インペラに作用する正味の力Ｆ５」を示した。
【００５７】
図９から分かるように、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５がゼロとなる位置で、インペラ１０の浮上位置はインペラ１０の可動範囲の中央位置から大きくずれている。その結果、回転中のインペラ１０と隔壁６の間の距離は狭まり、インペラ１０に対して小さな外乱力が作用してもインペラ１０は隔壁６に接触してしまう。
【００５８】
これに対して図１０は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２との合力の大きさが、インペラ１０の血液室７内の可動範囲の中央位置Ｐ０でゼロとなるように調整した場合にインペラ１０に作用する力を示す図である。この場合も、インペラ１０の回転数は定格値に保たれている。
【００５９】
すなわち、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは略同じに設定されている。また、動圧溝２１，２２の形状は同じにされている。この場合は、図９の場合と比較して、インペラ１０の浮上位置に対する支持剛性が高くなる。また、インペラ１０に作用する正味の力Ｆ５は可動範囲の中央でゼロとなっているので、インペラ１０に対し外乱力が作用しない場合にはインペラ１０は中央位置で浮上する。
【００６０】
このように、インペラ１０の浮上位置は、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２と、インペラ１０の回転時に動圧溝２１，２２で発生する動圧力Ｆ３，Ｆ４との釣り合いで決まる。Ｆ１とＦ２を略同じにし、動圧溝２１，２２の形状を同じにすることにより、インペラ１０の回転時にインペラ１０を血液室７の略中央部で浮上させることが可能となる。図３および図４に示すように、インペラ１０は２つのディスク間に羽根を形成した形状を有するので、ハウジング２の内壁に対向する２つの面を同一形状および同一寸法にすることができる。したがって、略同一の動圧性能を有する動圧溝２１，２２をインペラ１０の両側に設けることは可能である。
【００６１】
この場合、インペラ１０は血液室７の中央位置で浮上するので、インペラ１０はハウジング２の内壁から最も離れた位置に保持される。その結果、インペラ１０の浮上時にインペラ１０に外乱力が印加されて、インペラ１０の浮上位置が変化しても、インペラ１０とハウジング２の内壁とが接触する可能性が小さくなり、それらの接触によって血栓や溶血が発生する可能性も低くなる。
【００６２】
なお、図９および図１０の例では、２つの動圧溝２１，２２の形状は同じであるとしたが、動圧溝２１，２２の形状を異なるものとし、動圧溝２１，２２の動圧性能を異なるものとしてもよい。たとえば、ポンピングの際に流体力などによってインペラ１０に対して常に一方方向の外乱が作用する場合には、その外乱の方向にある動圧溝の性能を他方の動圧溝の性能より高めておくことにより、インペラ１０をハウジング２の中央位置で浮上回転させることが可能となる。この結果、インペラ１０とハウジング２との接触確率を低く抑えることができ、インペラ１０の安定した浮上性能を得ることができる。
【００６３】
また、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値をＫａとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値をＫｒとし、インペラ１０が回転する常用回転数領域において２つの動圧溝２１，２２で得られる正の剛性値の絶対値をＫｇとすると、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を満たすことが好ましい。
【００６４】
具体的には、アキシアル方向の負の剛性値の絶対値Ｋａを２００００Ｎ／ｍとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値Ｋｒを１００００Ｎ／ｍとした場合、インペラ１０が通常回転する回転数領域で２つの動圧溝２１，２２によって得られる正の剛性値の絶対値Ｋｇは３００００Ｎ／ｍを超える値に設定される。
【００６５】
インペラ１０のアキシアル支持剛性は動圧溝２１，２２で発生する動圧力に起因する剛性から磁性体間の吸引力などによる負の剛性を引いた値であるから、Ｋｇ＞Ｋａ＋Ｋｒの関係を持つことで、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性よりもアキシアル方向の支持剛性を高めることができる。このように設定することにより、インペラ１０に対して外乱力が作用した場合に、インペラ１０のラジアル方向への動きよりもアキシアル方向への動きを抑制することができ、動圧溝２１の形成部でのインペラ１０とハウジング２との機械的な接触を避けることができる。
【００６６】
特に、動圧溝２１，２２は、図５および図６で示したように平面に凹設されているので、インペラ１０の回転中にこの部分でハウジング２とインペラ１０との機械的接触があると、インペラ１０およびハウジング２の内壁のいずれか一方または両方の表面に傷（表面の凹凸）が生じてしまい、この部位を血液が通過すると、血栓及び溶血の原因となる可能性もあった。この動圧溝２１，２２での機械的接触を防ぎ、血栓及び溶血を抑制するために、ラジアル方向の剛性よりもアキシアル方向の剛性を高める効果は高い。
【００６７】
また、インペラ１０にアンバランスがあると回転時にインペラ１０に振れ回りが生ずるが、この振れ回りはインペラ１０の質量とインペラ１０の支持剛性値で決定される固有振動数とインペラ１０の回転数が一致した場合に最大となる。
【００６８】
このポンプ部１では、インペラ１０のアキシアル方向の支持剛性よりもラジアル方向の支持剛性を小さくしているので、インペラ１０の最高回転数をラジアル方向の固有振動数以下に設定することが好ましい。そこで、インペラ１０とハウジング２との機械的接触を防ぐため、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によって構成されるインペラ１０のラジアル剛性値をＫｒ（Ｎ／ｍ）とし、インペラ１０の質量をｍ（ｋｇ）とし、インペラの回転数をω（ｒａｄ／ｓ）とした場合、ω＜（Ｋｒ／ｍ）０．５の関係を満たすことが好ましい。
【００６９】
具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合、インペラ１０の最高回転数は２５８ｒａｄ／ｓ（２４６５ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）と設定した場合には、ラジアル剛性は４０１８Ｎ／ｍ以上に設定される。
【００７０】
さらに、このωの８０％以下にインペラ１０の最高回転数を設定することが好ましい。具体的には、インペラ１０の質量が０．０３ｋｇであり、ラジアル剛性値が２０００Ｎ／ｍである場合には、その最高回転数は２０６．４ｒａｄ／ｓ（１９７１ｒｐｍ）以下に設定される。逆に、インペラ１０の最高回転数を３６６ｒａｄ／ｓ（３５００ｒｐｍ）としたい場合には、ラジアル剛性値が６２７９Ｎ／ｍ以上に設定される。このようにインペラ１０の最高回転数を設定することで、インペラ１０の回転中におけるインペラ１０とハウジング２の接触を抑えることができる。
【００７１】
また、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによって構成されるインペラ１０のアキシアル方向の負の剛性値よりも動圧溝２１，２２の動圧力による剛性が大きくなった場合にインペラ１０とハウジング２は非接触の状態となる。したがって、この負の剛性値を極力小さくすることが好ましい。そこで、この負の剛性値を小さく抑えるため、永久磁石１５，１６の対向面のサイズを異ならせることが好ましい。たとえば、永久磁石１６のサイズを永久磁石１５よりも小さくすることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化割合、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ支持剛性の低下を防ぐことができる。
【００７２】
また、インペラ１０の回転起動前に、インペラ１０が隔壁６に接触していることを確認してから、インペラ１０を回転起動させることが好ましい。
【００７３】
すなわち、インペラ１０の非回転時では、動圧溝２１，２２による非接触支持はされず、さらに、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２によってインペラ１０とハウジング２とは高い面圧で接触している。また、このポンプ部１のように、インペラ１０をモータ室８内のコイル２０および磁性体１８とインペラ１０の永久磁石１７との磁気的相互作用で回転させる場合は、特許文献２の図３に示すようなインペラを永久磁石間の磁気カップリングで回転駆動させる場合に比べて、起動トルクが小さい。したがって、インペラ１０をスムーズに回転起動させることは難しい。
【００７４】
しかし、インペラ１０のシュラウド１２が隔壁６と接触している場合は、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合に比べ、インペラ１０の永久磁石１７とモータ室８内の磁性体１８とが近接しているので、インペラ１０の起動時の回転トルクを高めることができ、インペラ１０をスムーズに回転起動させることができる。
【００７５】
ところが、上述の通り、インペラ１０の回転時には、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とは、インペラ１０の位置がインペラ１０の可動範囲の中央付近にて釣り合うように設定されているので、インペラ１０の停止時にインペラ１０が必ずしも隔壁６に接触しているとは限らない。
【００７６】
そこで、この遠心式血液ポンプ装置では、インペラ１０を回転起動させる前にインペラ１０を隔壁６側に移動させる手段が設けられる。具体的には、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が大きくなるように複数のコイル２０に電流を流し、インペラ１０を隔壁６側に移動させる。
【００７７】
図１１は、ポンプ部１を制御するコントローラ２５の構成を示すブロック図である。図１１において、コントローラ２５は、モータ制御回路２６およびパワーアンプ２７を含む。モータ制御回路２６は、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図８で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図７および図８で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。通常の運転時は、これにより、インペラ１０が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。
【００７８】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、インペラ１０の回転起動時におけるコイル電流Ｉ、インペラ１０の位置、およびインペラ１０の回転数の時間変化を示すタイムチャートである。図１２（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。時刻ｔ０において、予め定められた電流Ｉ０がコイル２０に流される。これにより、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２が永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１よりも大きくなり、インペラ１０は隔壁６側の位置ＰＢに移動し、インペラ１０のシュラウド１２は隔壁６に接触する。インペラ１０が位置ＰＢに移動したら、電流Ｉ０を遮断する（時刻ｔ１）。インペラ１０の血液室７内の位置を検出するセンサを設け、インペラ１０が隔壁６に接触したことを確認した後に、電流Ｉ０を遮断することが好ましい。
【００７９】
次に、コイル電流Ｉを予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このとき、インペラ１０は隔壁６に接触しているので、インペラ１０はスムーズに回転する。コイル電流Ｉの上昇に伴って、インペラ１０は隔壁６側の位置ＰＢから可動範囲の中央位置に移動する。
【００８０】
次に、本実施の形態１の効果について説明する。図１３は、本実施の形態１の比較例を示す図であって、図４と対比される図である。図１３において、この比較例が実施の形態１と異なる点は、複数の永久磁石１７の間に隙間が無い点である。
【００８１】
図１４（ａ）は実施の形態１における永久磁石１７，１７間の磁界を示す図であり、図１４（ｂ）は比較例における永久磁石１７，１７間の磁界を示す図である。図１４（ａ）（ｂ）から分かるように、実施の形態１の永久磁石１７の重量と比較例の永久磁石１７の重量とを同じにすると、永久磁石１７，１７間の磁束密度は実施の形態１の方が大きくなり、永久磁石１７の周辺の磁界は実施の形態１の方が強くなる。したがって、本実施の形態１では、インペラ１０の永久磁石１７と、モータ室８内の磁性体１８およびコイル２０との間の磁気的結合力を強めることができる。よって、装置寸法を小型に維持しながら、インペラ１０の回転トルクを大きくすることができる。
【００８２】
図１５は、永久磁石１７の面積Ｓｍに対する永久磁石１７，１７間の隙間部分の面積Ｓｄの比率Ｓｄ／Ｓｍと、インペラ１０の回転トルクとの関係を示す図である。ただし、永久磁石１７の重量は一定に保たれている。図１５において、Ｓｄ／Ｓｍを０から徐々に大きくして行くと回転トルクも徐々に増大し、Ｓｄ／Ｓｍが約３／４のときに回転トルクが最大になる。Ｓｄ／Ｓｍを３／４から徐々に大きくして行くと回転トルクは徐々に減少し、Ｓｄ／Ｓｍが約１．７５を超えると回転トルクはＳｄ／Ｓｍ＝０のときよりも低下する。したがって、Ｓｄ／Ｓｍの好ましい値は約３／４であり、Ｓｄ／Ｓｍの好ましい範囲は０．５から１の範囲である。
【００８３】
以下、本実施の形態１の種々の変更例について説明する。図１６の変更例では、シュラウド１２に複数の永久磁石１７と円環状の磁性体２８が埋設されている。複数の永久磁石１７は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。磁性体２８は、複数の永久磁石１７のバックヨークとなる。換言すれば、隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７と、隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。永久磁石１７の隔壁６と反対側の表面は円環状の磁性体２８の表面に磁気力で吸引されており、複数の永久磁石１７と磁性体２８は磁気的に結合されている。したがって、永久磁石１７の隔壁６側の表面周辺の磁界は実施の形態１よりも強くなる。よって、装置寸法を小型に維持しながら、インペラ１０の回転トルクを大きくすることができる。また、コイル２０で発生する銅損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００８４】
また、図１７の変更例では、シュラウド１２に複数の永久磁石１７と複数の永久磁石２９とが埋設されている。永久磁石２９の数は、永久磁石１７の数と同じである。複数の永久磁石２９は、複数の永久磁石１７の隔壁６と反対側に設けられ、複数の永久磁石１７に沿ってインペラ１０の回転方向に配列されている。永久磁石２９は、各隣接する２つの永久磁石１７の隙間に対応して設けられて対応の隙間を隔壁６の反対側から覆うように設けられ、インペラ１０の回転方向に着磁されている。各永久磁石２９の各磁極は、隣接する永久磁石２９の磁極と同じであり、対応する永久磁石１７の磁極と異なる。各永久磁石２９は対応する２つの永久磁石１７に磁気力で吸引されており、複数の永久磁石１７と複数の永久磁石２９は磁気的に結合されている。したがって、永久磁石１７の隔壁６側の表面周辺の磁界は図１６の変更例よりも強くなる。この変更例でも、装置寸法を小型に維持しながら、インペラ１０の回転トルクを大きくすることができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００８５】
なお、図１８に示すように、各隣接する２つの永久磁石２９と永久磁石１７との隙間に磁性体３０を挿入してもよい。
【００８６】
また、図１９の変更例では、シュラウド１２に複数の永久磁石１７と複数の永久磁石３１とが埋設されている。永久磁石２９の数は、永久磁石１７の数と同じである。永久磁石３１は、円周方向（インペラ１０の回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石１７と複数の永久磁石３１とは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７と、隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石３１のＮ極は隔壁６側にＮ極を向けた永久磁石１７に向けて配置され、各永久磁石３１のＳ極は隔壁６側にＳ極を向けた永久磁石１７に向けて配置される。複数の永久磁石１７同士の形状は同じであり、複数の永久磁石３１同士の形状は同じである。永久磁石１７の形状と永久磁石３１の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。この変更例では、永久磁石１７と磁性体１８との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる。つまり、インペラ１０を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。
【００８７】
また、永久磁石１７の隔壁６に対向する表面の面積と永久磁石３１の隔壁６に対向する表面の面積の比によって、永久磁石１７と磁性体１８の吸引力、トルクの起因となる磁束を調整することができる。永久磁石１７と永久磁石３１の総重量を同じにして、永久磁石１７に対する永久磁石３１の面積比率を変化させた場合の吸引力と発生トルクの関係を図２０に示す。図２０に示すように、永久磁石１７に対する永久磁石３１の面積比率を１／２以上で２以下の範囲に設定すると、永久磁石１７と磁性体１８の吸引力を小さく抑制しながら、インペラ１０の回転トルクを大きくすることができる。したがって、永久磁石１７に対する永久磁石３１の面積比率は、１／２以上で２以下の範囲が最適である。
【００８８】
なお、一般に、モータのトルク脈動を低減する目的でハルバッハ配列を用いる場合は、永久磁石１７と永久磁石３１の面積比は５：１から３：１程度に設定される。本願発明では、モータギャップが広い場合は磁界を強めるために、モータ寸法やモータギャップに応じて、永久磁石１７と永久磁石３１の面積比を２：１から１：２までの範囲に設定することで最適化できる。
【００８９】
また、図２１は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示すブロック図である。インペラ回転起動時とそれ以外の場合の電源供給を切り替える構成の一例を示している。図２１において、この変更例では、図１１のパワーアンプ２７がパワーアンプ３２，３３および切換スイッチ３４で置換される。図１２の時刻ｔ０〜ｔ１では、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３２に与えられ、パワーアンプ３２の出力電圧が切換スイッチ３４を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流Ｉ０が流される。時刻ｔ２以降は、モータ制御回路２６の出力信号がパワーアンプ３３に与えられ、パワーアンプ３３の出力電圧が切換スイッチ３４を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流が流される。
【００９０】
また、図２２（ａ）〜（ｃ）は、この実施の形態１の他の変更例を示すタイムチャートである。図２２（ａ）〜（ｃ）において、初期状態では、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触しており、インペラ１０は位置ＰＡにあるものとする。時刻ｔ０において、予め定められた電流Ｉ１がコイル２０に流される。モータ制御回路２６により、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ２７は、モータ制御回路２６からの３相の制御信号を増幅して、図８で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図７で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。よって、この電流Ｉ１によってインペラ１０に回転磁界が印加される。この電流Ｉ１は、図１２の電流Ｉ０よりも大きい電流であり、インペラ１０のシュラウド１１が血液室７の内壁に接触している場合でもインペラ１０を回転起動させることが可能な電流である。回転起動が確認された後、コイル電流Ｉを低下させ、予め定められた定格値まで徐々に上昇させる。このようにインペラ１０が位置ＰＡ側にあった場合でも、インペラ１０の回転起動時のみにコイル２０に過大電流を流すように構成してもよい。
【００９１】
また、血液室７の内壁の表面および隔壁６の表面と、インペラ１０の表面との少なくとも一方にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を形成してもよい。これにより、インペラ１０と血液室７の内壁および隔壁６との摩擦力を軽減し、インペラをスムーズに回転起動することが可能になる。また、ダイヤモンドライクカーボン膜以外に、フッ素系樹脂膜、パラキシリレン系樹脂膜などを形成してもよい。
【００９２】
また、図２３は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図２３において、この変更例では、対向する永久磁石１５，１６の対向面のサイズが異なる。図３では、永久磁石１５，１６の対向面のサイズが同じである場合が示されているが、永久磁石１５，１６の対向面のサイズを異ならせることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ１０の支持剛性の低下を防ぐことができる。
【００９３】
また、図２４は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図２３と対比される図である。図２４において、この変更例では、各磁性体１８の永久磁石１７に対向する先端面に磁性体３５が設けられる。この磁性体３５の永久磁石１７に対向する表面の面積は磁性体１８の先端面の面積よりも大きい。この変更例では、永久磁石１７に対する磁性体１８，３５の吸引力を大きくすることができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００９４】
また、図２５は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図２３と対比される図である。図２５において、この変更例では、継鉄１９が継鉄３６で置換され、磁性体１８が磁性体３７で置換される。継鉄３６および磁性体３７の各々は、インペラ１０の回転軸の長さ方向に積層された複数の鋼板を含む。この変更例では、継鉄３６および磁性体３７で発生する渦電流損失を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００９５】
また、図２６に示すように、インペラ１０の回転方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３８で磁性体３７を置換してもよい。また、図２７に示すように、インペラ１０の径方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体３９で磁性体３７を置換してもよい。これらの場合でも、図２５の変更例と同じ効果が得られる。
【００９６】
また、図３の継鉄１９および磁性体１８の各々を、純鉄、軟鉄、または珪素鉄の粉末によって形成してもよい。この場合は、継鉄１９および磁性体１８の鉄損を軽減することができ、インペラ１０の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【００９７】
また、図２８は、この実施の形態１のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３と対比される図である。図２８において、この変更例では、永久磁石１５が径方向に２つの永久磁石１５ａ，１５ｂに分割され、永久磁石１６が径方向に２つの永久磁石１６ａ，１６ｂに分割されている。すなわち、シュラウド１１には永久磁石１５ａ，１５ｂが埋設され、シュラウド１１に対向する血液室７の内壁には、それぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂを吸引する永久磁石１６ａ，１６ｂが埋設されている。永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは、インペラ１０をモータ室８と反対側、換言すれば血液流入ポート４側に吸引（換言すれば、付勢）するために設けられている。
【００９８】
図２９（ａ）（ｂ）は永久磁石１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂの構成を示す図であり、図２９（ａ）は図２９（ｂ）のＸＸＩＸＡ−ＸＸＩＸＡ線断面図である。図２９（ａ）（ｂ）に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々は円環状に形成されており、永久磁石１５ａの外径は永久磁石１５ｂの内径よりも小さい。永久磁石１５ａ，１５ｂは同軸状に設けられており、永久磁石１５ａ，１５ｂの中心点は、ともにインペラ１０の回転中心線に配置されている。永久磁石１５ａ，１５ｂのＮ極は同じ方向に向けられている。
【００９９】
一方、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々は円弧状に形成されており、インペラ１０の回転方向に２つ配列されている。円環状に配置された２つの永久磁石１６ａの外径および内径は、永久磁石１５ａの外径および内径と同じである。円環状に配置された２つの永久磁石１６ｂの外径および内径は、永久磁石１５ｂの外径および内径と同じである。永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極は同じ方向に向けられている。永久磁石１５ａ，１５ｂのＳ極と永久磁石１６ａ，１６ｂのＮ極とは、互いに対向している。
【０１００】
また、図２８に示すように、永久磁石１５ａ，１５ｂの間隔（すなわち永久磁石１６ａ，１６ｂの間隔）Ｄ１は、インペラ１０のラジアル方向の可動距離（すなわち血液室７の内径とインペラ１０の外径との差の距離）の２分の１の距離Ｄ２よりも大きく設定されている（Ｄ１＞Ｄ２）。これは、Ｄ１＜Ｄ２とした場合、インペラ１０がラジアル方向に最大限まで移動したとき、永久磁石１５ａと１６ｂ、永久磁石１５ｂと１６ａがそれぞれ干渉し、インペラ１０をポンプ中心位置に復元させる復元力が不安定になるからである。
【０１０１】
このように、インペラ１０の径方向に２対の永久磁石１５ａ，１６ａおよび永久磁石１５ｂ，１６ｂを設けたので、インペラ１０の径方向に１対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ１０のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。
【０１０２】
なお、シュラウド１１および血液室７の内壁にそれぞれ永久磁石１５ａ，１５ｂおよび永久磁石１６ａ，１６ｂを設ける代わりに、シュラウド１１および血液室７の内壁の一方に永久磁石を設け、他方に磁性体を設けてもよい。また、磁性体としては軟質磁性体と硬質磁性体のいずれを使用してもよい。
【０１０３】
また、図２８では、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズが同じであり、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズが同じである場合が示されているが、永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの吸引力に起因するインペラ１０の剛性の低下を防ぐため、永久磁石１５ａと１６ａの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石１５ｂと１６ｂの対向面のサイズを異ならせることが好ましい。永久磁石１５ａ，１５ｂと永久磁石１６ａ，１６ｂの対向面のサイズを異ならせることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ１０の支持剛性の低下を防ぐことができる。
【０１０４】
また、図２９（ａ）（ｂ）では、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列したが、逆に、永久磁石１６ａ，１６ｂの各々を円環状に形成し、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々を円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で２つ配列してもよい。また、永久磁石１５ａ，１５ｂの各々、あるいは永久磁石１６ａ，１６ｂの各々をさらに短い円弧状に形成してインペラ１０の回転方向に等角度間隔で複数配列してもよい。
【０１０５】
［実施の形態２］
図３０は、この発明の実施の形態２による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部４１の構成を示す断面図であって、図３と対比される図である。また、図３１は、図３０のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ線断面図であって、図７と対比される図である。
【０１０６】
図３０および図３１を参照して、このポンプ部４１が実施の形態１のポンプ部１と異なる点は、９個の磁性体１８のうちの隣接する４個の磁性体１８の３つの間に３つの磁気センサＳが設けられている点である。３つの磁気センサＳは、インペラ１０の複数の永久磁石１７の通過経路に対向して配置されている。インペラ１０が回転して複数の永久磁石１７のＳ極とＮ極が交互に磁気センサＳの近傍を通過すると、磁気センサＳの出力信号のレベルは、図３２に示すように、正弦波状に変化する。したがって、磁気センサＳの出力信号の時間変化を検出することにより、複数の永久磁石１７と複数の磁性体１８との位置関係を検出することができ、複数のコイル２０に電流を流すタイミングと、インペラ１０の回転数を求めることができる。
【０１０７】
また、インペラ１０と隔壁６の間のギャップが広い場合は、磁気センサＳの近傍の磁界が弱くなって磁気センサＳの出力信号の振幅Ａ１は小さくなる。インペラ１０と隔壁６の間のギャップが狭い場合は、磁気センサＳの近傍の磁界が強くなって磁気センサＳの出力信号の振幅Ａ２は大きくなる。したがって、磁気センサＳの出力信号の振幅を検出することにより、インペラ１０の可動範囲内におけるインペラ１０の位置を検出することができる。
【０１０８】
図３３は、ポンプ部４１を制御するコントローラ４２の構成を示すブロック図である。図３３において、コントローラ４２は、モータ制御回路４３およびパワーアンプ４４を含む。モータ制御回路４３は、３つの磁気センサＳの出力信号に基づいて、たとえば１２０度通電方式の３相の制御信号を出力する。パワーアンプ４４は、モータ制御回路４３からの３相の制御信号を増幅して、図８で示した３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。３相電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、図７および図８で説明した第１〜第３のコイル２０にそれぞれ印加される。通常の運転時は、これにより、インペラ１０が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。
【０１０９】
この実施の形態２でも、実施の形態１と同じ効果が得られる。
また、図３４は、この実施の形態２の変更例を示すブロック図である。インペラ回転起動時とそれ以外の場合の電源供給を切り替える構成の一例を示している。図３４において、この変更例では、図３３のパワーアンプ４４がパワーアンプ４５，４６および切換スイッチ４７で置換される。図１２の時刻ｔ０〜ｔ１では、モータ制御回路４３の出力信号がパワーアンプ４５に与えられ、パワーアンプ４５の出力電圧が切換スイッチ４７を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流Ｉ０が流される。時刻ｔ２以降は、モータ制御回路４３の出力信号がパワーアンプ４６に与えられ、パワーアンプ４６の出力電圧が切換スイッチ４７を介してコイル２０に印加され、コイル２０に電流が流される。
【０１１０】
また、図３５は、この実施の形態２の他の変更例を示すブロック図であって、図３３と対比される図である。この変更例では、図３３のコントローラ４２内にコンパレータ４８および位置演算器４９が追加される。コンパレータ４８は、３つの磁気センサＳの出力信号に基づいて、インペラ１０の複数の永久磁石１７が３つの磁気センサＳの近傍を通過するタイミングを示す３つのパルス信号列を生成する。モータ制御回路４３は、コンパレータ４８で生成された３つのパルス信号列に従って、３相の制御信号を生成する。パワーアンプ４４は、モータ制御回路４３で生成された３相の制御信号を増幅して、図８の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷを生成する。位置演算器４９は、図３２で説明したように、３つの磁気センサＳの出力信号の振幅に基づいて、インペラ１０の可動範囲内におけるインペラ１０のアキシアル方向の位置を求め、求めた位置を示す信号φＰを出力する。この信号φＰにより、インペラ１０の位置が正常範囲内にあるか否かを判別することができる。
【０１１１】
また、図３６は、この実施の形態２のさらに他の変更例を示すブロック図であって、図３５と対比される図である。この変更例では、図３５のコントローラ４２内に回転数演算器５０および位置判定器５１が追加される。回転数演算器５０は、３つの磁気センサＳの出力信号に基づいてインペラ１０の回転数を求め、その回転数を示す信号φＲを出力する。位置判定器５１は、位置演算器４９で生成されたインペラ１０の位置を示す信号φＰと、回転数演算器５０で生成されたインペラ１０の回転数を示す信号φＲとに基づき、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定し、判定結果を示す信号φＤを出力する。判定時にインペラ１０の回転数を参照するのは、インペラ１０の回転数によって動圧溝２１，２２の動圧軸受効果が変化し、インペラ１０の位置が変化するからである。なお、回転数が固定されている場合は、回転数演算器５０を除去してもよい。
【０１１２】
また、インペラ１０の位置が正常範囲内か否かを判定する際に、インペラ１０の回転数の代わりに、あるいはインペラ１０の回転数に加え、液体（この場合は血液）の粘度情報を参照してもよい。これは、液体の粘度によって動圧溝２１，２２の動圧軸受効果が変化し、インペラ１０の位置が変化するからである。
【０１１３】
また、この遠心式血液ポンプ装置では、インペラ１０が回転していない場合は動圧溝２１，２２の動圧軸受効果は発生しないので、永久磁石１５，１６間の吸引力Ｆ１と、永久磁石１７および磁性体１８間の吸引力Ｆ２とによってインペラ１０とハウジング２の内壁とは接触している。したがって、回転開始時および低速回転時では、インペラ１０は正常なアキシアル位置で回転していない。したがって、回転数を示す信号φＲを位置判定に使用しない場合は、回転開始から定格回転数に達するまでのある一定時間、位置判定器５１の出力信号φＤを強制的にインペラ１０の位置が正常であることを示す信号にしてもよい。
【０１１４】
また、図３７は、この実施の形態２のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３１と対比される図である。この変更例では、９個のコイル２０が３個ずつ３グループに分割され、各グループの第１〜第３のコイル２０に図８の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷがそれぞれ印加される。第１の磁気センサＳは、第１のグループの第１および第２のコイル２０の間に配置される。第２の磁気センサＳは、第１のグループの第３のコイル２０と第２のグループの第１のコイル２０の間に配置される。第３の磁気センサＳは、第２のグループの第２および第３のコイル２０の間に配置される。したがって、第１〜第３の磁気センサＳの間の電気角は、それぞれ１２０度に維持される。第１〜第３の磁気センサＳの出力信号に基づいて、３相の制御信号の生成、およびインペラ１０のアキシアル方向の位置検出が可能である。また、第１〜第３の磁気センサＳの間の機械角がそれぞれ９０度になるので、回転中のインペラ１０の浮上姿勢を検出することも可能となる。
【０１１５】
また、図３８は、この実施の形態２のさらに他の変更例を示す断面図であって、図３１と対比される図である。この変更例では、９個のコイル２０が３個ずつ３グループに分割され、３つの磁気センサＳは３つのグループの３つの間にそれぞれ配置される。したがって、３つの磁気センサＳの間の機械角は、それぞれ１２０度となるので、回転中のインペラ１０の浮上姿勢を容易に演算することができる。９個のコイル２０に電流を流すタイミングは、３つの磁気センサＳのうちのいずれか１つの磁気センサＳの出力信号に基づいて演算される。
【０１１６】
[実施の形態３]
図３９（ａ）は、この発明の実施の形態３によるアキシアルギャップ型モータのロータ６１を隔壁６０側から見た下面図であり、図３９（ｂ）はアキシアルギャップ型モータの要部を示す正面図である。
【０１１７】
図３９（ａ）（ｂ）において、このアキシアルギャップ型モータは、実施の形態１の遠心式血液ポンプ装置のポンプ部１と同様の構成であり、円形の隔壁６０で仕切られた第１および第２の室（図示せず）を備える。第１の室内には、隔壁６０に沿って回転可能に設けられた円環状のロータ６１が設けられ、第２の室内には、隔壁６０を介してロータ６１を回転駆動させるステータ７０が設けられている。
【０１１８】
ロータ６１は、非磁性材料で形成された円環状の支持部材６２と、支持部材６２に固定された複数（たとえば８個）の永久磁石６３とを含む。複数の永久磁石６３は、ロータ６１の回転方向に互いに隙間を開けて配列されている。各永久磁石６３は、ロータ６１の回転中心軸の延在方向に着磁されている。隣接する２つの永久磁石６３の磁極は互いに異なる。ステータ７０は、複数の永久磁石６１に対向して配置された複数（たとえば６個）の磁性体７１と、それぞれ複数の磁性体７１に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイル７２とを含む。複数の磁性体７１は、円環状の継鉄７３に固定されている。複数のコイル７２に１２０度通電方式で電圧を印加することにより、ロータ６１を回転させることができる。
【０１１９】
次に、本実施の形態３の効果について説明する。図４０（ａ）（ｂ）は、本実施の形態３の比較例を示す図であって、図３９（ａ）（ｂ）と対比される図である。図４０（ａ）（ｂ）において、この比較例が実施の形態３と異なる点は、複数の永久磁石６３の間に隙間が無い点である。
【０１２０】
図１４（ａ）（ｂ）で示したように、実施の形態３の永久磁石６３の重量と比較例の永久磁石６３の重量とを同じにすると、永久磁石６３，６３間の磁束密度は実施の形態３の方が大きくなり、永久磁石６３の周辺の磁界は実施の形態３の方が強くなる。したがって、本実施の形態３では、ロータ６１の永久磁石６３と、ステータ７０の磁性体７１およびコイル７２との間の磁気的結合力を強めることができる。よって、装置寸法を小型に維持しながら、ロータ６１の回転トルクを大きくすることができる。
【０１２１】
以下、本実施の形態３の種々の変更例について説明する。図４１（ａ）（ｂ）の変更例では、ロータ６１に複数の永久磁石６３と円環状の磁性体６４が設けられている。複数の永久磁石６３は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。磁性体６４は、複数の永久磁石６３のバックヨークとなる。換言すれば、隔壁６０側にＮ極を向けた永久磁石６３と、隔壁６０側にＳ極を向けた永久磁石６３とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。永久磁石６３の隔壁６０と反対側の表面は円環状の磁性体６４の表面に磁気力で吸引されており、複数の永久磁石６３と磁性体６４は磁気的に結合されている。したがって、永久磁石６３の隔壁６０側の表面周辺の磁界は実施の形態３よりも強くなる（図１６参照）。よって、装置寸法を小型に維持しながら、ロータ６１の回転トルクを大きくすることができる。また、コイル７２で発生する銅損を軽減することができ、ロータ６１の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【０１２２】
また、図４２（ａ）（ｂ）の変更例では、ロータ６１に複数の永久磁石６３と複数の永久磁石６５とが設けられている。永久磁石６５の数は、永久磁石６３の数と同じである。複数の永久磁石６５は、複数の永久磁石６３の隔壁６０と反対側に設けられ、複数の永久磁石６３に沿ってロータ６１の回転方向に配列されている。各永久磁石６５は、隣接する２つの永久磁石６３の隙間に対応して設けられて隔壁６０の反対側から対応の隙間を覆うように設けられ、ロータ６１の回転方向に着磁されている。各永久磁石６５の各磁極は、隣接する永久磁石６５の磁極と同じであり、対応する永久磁石６３の磁極と異なる。各永久磁石６５は対応する２つの永久磁石６３に磁気力で吸引されており、複数の永久磁石６３と複数の永久磁石６５は磁気的に結合されている。したがって、永久磁石６３の隔壁６０側の表面周辺の磁界は図４１（ａ）（ｂ）の変更例よりも強くなる（図１７参照）。この変更例でも、装置寸法を小型に維持しながら、ロータ６１の回転トルクを大きくすることができ、ロータ６１の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【０１２３】
なお、図４３（ａ）（ｂ）に示すように、各隣接する２つの永久磁石６５と永久磁石６３との隙間に磁性体６６を挿入してもよい（図１８参照）。
【０１２４】
また、図４４（ａ）（ｂ）の変更例では、ロータ６１に複数の永久磁石６３と複数の永久磁石６７とが設けられている。永久磁石６７の数は、永久磁石６３の数と同じである。永久磁石６７は、円周方向（ロータ６１の回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石６３と複数の永久磁石６７とは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁６０側にＮ極を向けた永久磁石６３と、隔壁６０側にＳ極を向けた永久磁石６３とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石６７のＮ極は隔壁６０側にＮ極を向けた永久磁石６３に向けて配置され、各永久磁石６７のＳ極は隔壁６０側にＳ極を向けた永久磁石６３に向けて配置される。複数の永久磁石６３同士の形状は同じであり、複数の永久磁石６７同士の形状は同じである。永久磁石６３の形状と永久磁石６７の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。この変更例では、永久磁石６３と磁性体７１との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる（図１９参照）。つまり、ロータ６１を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。
【０１２５】
また、永久磁石６３の隔壁６０に対向する表面の面積と永久磁石６７の隔壁６０に対向する表面の面積の比によって、永久磁石６３と磁性体７１の吸引力、トルクの起因となる磁束を調整することができる。図２０で示したように、永久磁石６３に対する永久磁石６７の面積比率を１／２以上で２以下の範囲に設定すると、永久磁石６３と磁性体７１の吸引力を小さく抑制しながら、ロータ６１の回転トルクを大きくすることができる。したがって、永久磁石６３に対する永久磁石６７の面積比率は、１／２以上で２以下の範囲が最適である。
【０１２６】
[実施の形態４]
図４５は、この発明の実施の形態３によるラジアルギャップ型モータの要部を示す平面図である。
【０１２７】
図４５において、このラジアルギャップ型モータは、図３９のアキシアルギャップ型モータと同様の構成であり、円筒形の隔壁８０で仕切られた第１および第２の室（図示せず）を備える。隔壁８０の内側の第１の室内には、隔壁８０に沿って回転可能に設けられた円筒状のロータ８１が設けられ、隔壁８０の外側の第２の室内には、隔壁８０を介してロータ８１を回転駆動させるステータ９０が設けられている。
【０１２８】
ロータ８１は、非磁性材料で形成された円筒状の支持部材（図示せず）と、支持部材に固定された複数（たとえば８個）の永久磁石８２とを含む。複数の永久磁石８２は、ロータ８１の回転方向に互いに隙間を開けて配列されている。各永久磁石８２は、ロータ８１の回転方向と直交する方向（径方向）に着磁されている。隣接する２つの永久磁石８２の磁極は互いに異なる。ステータ９０は、複数の永久磁石８２に対向して配置された複数（たとえば６個）の磁性体９１と、それぞれ複数の磁性体９１に巻回され、回転磁界を生成するための複数のコイル９２とを含む。複数の磁性体９１は、円筒状の継鉄９３の内周面に固定されている。複数のコイル９２に１２０度通電方式で電圧を印加することにより、ロータ８１を回転させることができる。
【０１２９】
次に、本実施の形態４の効果について説明する。図４６は、本実施の形態３の比較例を示す図であって、図４５と対比される図である。図４６において、この比較例が実施の形態４と異なる点は、複数の永久磁石８２の間に隙間が無い点である。
【０１３０】
図１４（ａ）（ｂ）で示したように、実施の形態４の永久磁石８２の重量と比較例の永久磁石８２の重量とを同じにすると、永久磁石８２，８２間の磁束密度は実施の形態４の方が大きくなり、永久磁石８２の周辺の磁界は実施の形態４の方が強くなる。したがって、本実施の形態４では、ロータ８１の永久磁石８２と、ステータ９０の磁性体９１およびコイル９２との間の磁気的結合力を強めることができる。よって、装置寸法を小型に維持しながら、ロータ８１の回転トルクを大きくすることができる。
【０１３１】
以下、本実施の形態４の種々の変更例について説明する。図４７の変更例では、ロータ８１に複数の永久磁石８２と円筒状の磁性体８３が設けられている。複数の永久磁石８２は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って隙間を設けて配置される。磁性体８３は、複数の永久磁石８２のバックヨークとなる。換言すれば、隔壁８０側にＮ極を向けた永久磁石８２と、隔壁８０側にＳ極を向けた永久磁石８２とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。永久磁石８２の隔壁８０と反対側の表面は円筒状の磁性体８３の外周面に磁気力で吸引されており、複数の永久磁石８２と磁性体８３は磁気的に結合されている。したがって、永久磁石８２の隔壁８０側の表面周辺の磁界は実施の形態４よりも強くなる（図１６参照）。よって、装置寸法を小型に維持しながら、ロータ８１の回転トルクを大きくすることができる。また、コイル９２で発生する銅損を軽減することができ、ロータ８１の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【０１３２】
また、図４８の変更例では、ロータ８１に複数の永久磁石８２と複数の永久磁石８４とが設けられている。永久磁石８４の数は、永久磁石８２の数と同じである。複数の永久磁石８４は、複数の永久磁石８４の隔壁８０と反対側に設けられ、複数の永久磁石８４に沿ってロータ８１の回転方向に配列されている。永久磁石８４は、各隣接する２つの永久磁石８２の隙間に対応して設けられて対応の隙間を隔壁８０の反対側から覆うように設けられ、ロータ８１の回転方向に着磁されている。各永久磁石８４の各磁極は、隣接する永久磁石８４の磁極と同じであり、対応する永久磁石８２の磁極と異なる。各永久磁石８４は対応する２つの永久磁石８２に磁気力で吸引されており、複数の永久磁石８２と複数の永久磁石８４は磁気的に結合されている。したがって、永久磁石８２の隔壁８０側の表面周辺の磁界は図４７の変更例よりも強くなる（図１７参照）。この変更例でも、装置寸法を小型に維持しながら、ロータ８１の回転トルクを大きくすることができ、ロータ８１の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
【０１３３】
なお、図４９に示すように、各隣接する２つの永久磁石８４と永久磁石８２との隙間に磁性体８５を挿入してもよい（図１８参照）。
【０１３４】
また、図５０の変更例では、ロータ８１に複数の永久磁石８２と複数の永久磁石８６とが設けられている。永久磁石８６の数は、永久磁石８２の数と同じである。永久磁石８６は、円周方向（ロータ８１の回転方向）に着磁されている。複数の永久磁石８２と複数の永久磁石８６とは、１つずつ交互に等角度間隔で同一の円に沿ってハルバッハ配列構造で配置されている。換言すると、隔壁８０側にＮ極を向けた永久磁石８２と、隔壁８０側にＳ極を向けた永久磁石８２とが等角度間隔で隙間を設けて同一の円に沿って交互に配置されている。各永久磁石８６のＮ極は隔壁８０側にＮ極を向けた永久磁石８２に向けて配置され、各永久磁石８６のＳ極は隔壁８０側にＳ極を向けた永久磁石８２に向けて配置される。複数の永久磁石８２同士の形状は同じであり、複数の永久磁石８６同士の形状は同じである。永久磁石８２の形状と永久磁石８６の形状は、同じでもよいし、異なっていてもよい。この変更例では、永久磁石８２と磁性体９１との吸引力を抑制するとともに、トルクの起因となる磁束を強めることができるので、最も永久磁石を小型化することができる（図１９参照）。つまり、ロータ８１を最も軽量化することができ、かつモータギャップが広い場合でもエネルギ効率を高めることができる。
【０１３５】
また、永久磁石８２の隔壁８０に対向する表面の面積と永久磁石８６の隔壁８０に対向する表面の面積の比によって、永久磁石８２と磁性体９１の吸引力、トルクの起因となる磁束を調整することができる。図２０で示したように、永久磁石８２に対する永久磁石８６の面積比率を１／２以上で２以下の範囲に設定すると、永久磁石８２と磁性体９１の吸引力を小さく抑制しながら、ロータ８１の回転トルクを大きくすることができる。したがって、永久磁石８２に対する永久磁石８６の面積比率は、１／２以上で２以下の範囲が最適である。
【０１３６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３７】
１，４１  ポンプ部、２  ハウジング、３  本体部、４  血液流入ポート、５  血液流出ポート、６，６０，８０  隔壁、７  血液室、８  モータ室、１０  インペラ、１０ａ  貫通孔、１１，１２  シュラウド、１３  ベーン、１４  血液通路、１５〜１７，２９，３１，６３，６５，６７，８２，８４，８６  永久磁石、１８，２８，３０，３５，３７〜３９，６４，６６，７１，８３，８５，９１  磁性体、１９，３６，７３，９３  継鉄、２０，７２，９２  コイル、２１，２２  動圧溝、２５，４２  コントローラ、２６，４３  モータ制御回路、２７，３２，３３，４４〜４６  パワーアンプ、３２，４７  切換スイッチ、４８  コンパレータ、４９  位置演算器、５０  回転数演算器、５１  位置判定器、Ｓ  磁気センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【国際調査報告】
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